Способ изготовления кремниевых эпитаксиальных структур с внутренним геттером

(51) б Н 01 1 З) А 1 0103 СОВЕТСКИХОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИКОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕедОмстВО сссР (ГОсттАтент ссс г ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН к мторскому СвидетЕльству(71) Научно-исследовательский институт "Пульсар";Институт проблем технологии микроэлектроники АНСССР(66) Немцев ГЗ. и др. Генерирование точечныхдефектов в производстве полупроводниковых приборов. - Сбзор "Зарубежная электронная техника",1981, вып,11 (245), с 43-45,Немцев ГЗ, Перераатределение точечных дефектов в пластинах кремния с помощью внутреннего геттера - Диссертация на соискание степеникт,н. М. 1983, с 83-87.(64) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕМНИЕВЫХЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СТРУКТУР С ВНУТРЕННИМ ГЕТТЕРОМ(67) Изобретение относится к полупроводниковойтехнике, в частносФ к технологии изготовленияэпитаксиальных структур и полупроводниковых прибороа Цель изобретения - улучшение качества эпитаксиальных структур за счет повышения однородности распределения легирующей примеси в эпитаксиальном слое и уменьшения в нем плотности дефектов кристаллической решетки. Из слитка монокристаллического кремния изготавливают подложки с финишной химико-механической полировкой рабочих поверхностей на основе аэросила В рабочую поверхность проводят имплантацию ионов углерода дозой 100-200 мкКл/см с энергией 260-350 кэВ, Затем проводят имплантацию ионов кислорода дозой 300-400 мкКл/см с энергией, обеспечивающей совпадение средних проецированных пробегов ионов кислорода и углерода, После имплантации проводят очистку пластин в перекисно-аммиачном растворе, промывку и сушку, Далее проводят газовое травление в среде НО+Н2 для удаления. слоя толщиной (0,1-0,2)й, где й -Р Р средний проецированный пробег ионов. После этого хлоридным методом наращивают эпитаксиальную пленку толщиной 2,5-3 мкм, 1 табаИзобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к технологииизготовления эпитаксиальных структур иполупроводниковых приборов,Целью изобретения является улучшвние качества эпитаксиальных структур засчет повышения однородности распределения легирующей примеси в эпитаксиальномслое и уменьшения в нем плотности дефектов кристаллической решетки. 10Для.реализации эффекта геггерирования в процессе высокотемпературной обработки необходимо, как известно, наличие вобъеме пластины или на ее обратной стороне слоя с высокой плотностью дефектов. 15Более того, известно, что наличие однихпреципитатов без элементов пластическойдеформации, как правило, недостаточно дляобеспечения эффективного геттерирующего процесса. 20Ионная имплантация легких атомов является тем методом, который позволяет ввести примесь в глубину подложки, оставивбеспримесной приповерхностную область.Однако использование в качестве имплантационного углерода, как показали нашиэксперименты, приводит при последующихотжигах или к очень слабой преципитации,или в ряде случаев дефектный слой вообще: не формируется. Дальнейшие зксперименты позволили установить, что ионное легирование углеродом при дозах 100 - 250мкКл/см в кремний, выращенный методомзонной плавки, т.е. с низким содержаниемкислорода 60115 10 см ) при последующих высокотемпературных отжигах илипри эпитаксиальном наращивании не приводит к формированию слоя приципитатов.Увеличение дозы при легировании углеродов(Д=300-350 мкКл/см ) - нецелесообразно, так как при последующихтермообработках наблюдается дефектообразование на самой рабочей поверхностипластин. В то же время ионное легированиеуглеродом придозахД=100 - 200 мкКл/см в 45гстандартный кремний, выращенный методом Чохральского, т.е. с содержанием кислорода: ОЦ=8-9 10 см , на последующихстадиях термообработок вызывает форми-.рование в объеме, на некоторой глубине 50слоя преципитатов, причем установленоэкспериментально, что чем выше содержание кислорода, тем выше получается плотность дефектов в этом слое, Это позволяетпредположить, что идет преципитация не55самого углерода, а наличие углерода способствует преципитации кислорода,Исследование приповерхностного слоякремния, ионнолегированного углеродом и кислородом при указанных дозах и энергиях, показало, что последующие высокотемпературные отжиги стабильно приводят к Формированию слоя преципитэтов, причем при более длительных отжигах (время 3-4 ч, ТС), преципитаты начинают трансформироваться с образованием дислокаиионных петель, что очень важно для обеспечения геттерирующего эффекта, Ионное легирование одним кислородом, как правило, не дает такого эффекта: сильная преципитация начинается при дозах Д350-400 мкКл/смг, однако при этих дозах практически нельзя получить свободную от дефектов приповерхностную зону; образование выделений второй фазы начинается прямо с поверхности. В то же время ионное легирование углеродом и кислородом при указанных дозах и энергии Е=260- 400 кзВ позволяет при отжигах получать бездефектный приповерхностный слой толщиной 0,4-0,45 мкм, хотя можно было опасаться диффузии С и Ог из слоя с максимальной концентрацией примеси,Анализ методом масс-спектрометрии вторичных ионов (МСВИ) образцов, легированных только ионами углерода, и образцов, легированных последовательно ионами углерода и кислорода, свидетельотвует, что в последнем случае имеет место так называемая восходящая диффузия - диффузия против градиента концентрации: пик углерода стягивается при четко фиксируемом росте максимальной концентрации этой примеси, Такая диффузия возможна лишь при условии, если в качестве химической движущей силы выступает пространственная неоднородность потенциала химического взаимодействия между атомами углерода и кислорода. Следовательно, наличие атомов углерода способствует кластеризации (образованию кислородно-кремниевых преципитатов), что является необходимым условием геттерирования, Пространственное сужение профиля ионов углерода приводит к "очищению" приповерхностных объемов пластины оттонких структурных дефектов, чтотакже благоприятно сказывается на эффекте геттерирования,Правомерность факта изменения характера перераспределения профиля углерода при отжигах в случае дополнительного легирования кислородом подтверждается картинами распределения дефектов по глубине образцов на пластинах по-разному легированных, которые. анализировались с помощью методики изготовления сферических шлифов и их селективного, травления.510 20 25 30 40 50 55 Установлено, чтоувеличение дозы кислородас 200 мкКл/см до 400 мкКл/см приводит к сужению зоны с преципитатами,причем плотность их в этом слое растет, и красширению чистой зоны у поверхности,Наличие этой чистой зоны позволяет в процессе эпитаксиального наращивания получить эпитаксиальный слой без такихструктурных дефектов, как дислокации, дефекты роста, дефекты упаковки, при этом наглубине 0,45 - 0,6 от границы раздела эпитаксиальный слой - подложка формируетсяслой с высокой плотностью преципитатов идислокационн ыми элементами призматического выдавливания, наличие которых подтверждает электронно-микроскопическиеисследования; дислокационные элементыусиливаются с ростом времени отжига и восновном обеспечивают геттерирующийэффект.Дозы имплантации по кислороду в заявляемом способе подобраны таким образом,чтобы они удовлетворяли следующим двумусловиям;1. Дозы должны быть такими, чтобы максимум скорости зарождения преципитатов,рассчитанный по теории гомогенного зарождения, сдвигался с высокотемпературную область: 1100-1200 С, а плотностьпреципитатов значительно превышала характерную плотность преципитатов, образующихся в кремнии, выращенном поЧохральскому.2. Дозы должны быть такими, чтобы ещене происходила аморфизация кремния,При укаэанных дозах в процессе последующих термообработок или эпитаксиального наращивания образуется слойпреципитатов высокой плотности при чистой бездефектной зоне у поверхности, или уграницы раздела эпитаксиальная пленкаподложка (в таблице даны характеристикигеттерирующего приповерхностного слояпосле наращивания на ионнолегированныхобразцах эпислоя толщиной 2,5 з мкм. Анализ приповерхностных слоев проводился насферических шлифах после их селективноготравления),Уменьшение дозы кислорода менее 300мкКл/см при указанных дозах углерода2требует более длительных последующихтермообработок для формирования слояпреципитатов высокой плотности, что не. технологично, а увеличение дозы кислородаболее 400 мкКл/см вызывает сокращениебездефектной зоны даже при малых временах последующих отжигов таблица).Значения энергий, при которых проводится имплантация углеродом (Е=260-350кэВ) по заявляемому способу определяется,с одной стороны, условием получения бездефектного, достаточно, широкого приповерхностного слоя, который стабильно сохранялся бы и после газового травления и на котором непосредственно и идет эпитаксиальное наращивание, а с другой стороны, требованием технологичности процесса. слишком высокие энергии трудно реализуются на практике,Условие совпадения длины пробегов кислорода и углерода вызванотем, что в этом случае удается формировать узкий приповерхностный геттерирующий слой, Изменение энергии легирования кислородом таким образом, чтобы максимум концентрации залегированного кислорода сдвигался к рабочей поверхности подложки относительно максимума концентрации углерода, приводит к сокращению ширины бездефектной зоны у поверхности, что нежелательно. Изменение энергии легирования кислородом таким образом, чтобы пик концентрации кислорода был сдвинут на глубину материала относительно пика углерода, приводит к снижению максимальной плотности преципитатов в дефектном слое.При энергиях Е=300 кэВ средние проецированные пробеги ионов углерода и кислорода практически совпадают, а при более высоких значениях для создания совпадения длин пробегов ионов этих двух элементов должно соблюдаться условие; Е =1,1-1,2 Ес,В предлагаемом изобретении дополнительное введение ионнолегирования кислородом в технологический цикл формирования эпитаксиальных слоев проявляет новое физическое свойство- обеспечивает изменение процесса преципитации в приповерхностном слое подложек при последующих высокотемпературных обработках: резко ускоряет процесс образования кислородных преципитатов, приводит к сужению пика углерода, обеспечивая получение достаточно широкой бездефектной зоны. Более того, сужение пика углерода при двойном легировании кислородом и углеродом свидетельствует о изменении физики процессов, определяющих дефектообразование в материале,Технология эпитаксиального наращивания на кремнии практически всегда включает процесс газового травления, обеспечивающий очистку поверхности перед эпитаксиальным наращиванием. Проведение газового травления необходимо и в предлагаемом варианте в целях очистки, однако в заявляемом варианте накладывается определенное условие, оговаривающее возможную толщину удаляемого в процессе га 1797403зового травления слоя материала. он должен составлять; 0,1-02 Вр где Йр средний проецированный пробег ионов кислорода и углерода, Именно при этом условии, как экспериментально было показано, удастся пол учить чистый бездефектный слоЯ у поверхности подложки и наиболее совершенные эпитаксиальные пленки, При указанных энергиях ионного легирования углеродом В составляет 0,50,8 мкм. В слу чае удаления при газовом травлении 0,1 В процесс газового травления становится нестабильным и очистка поверхности может не произойти. В случае удаления слоя толщиной более 0,2 Вр слишком утоняется ос тающийся бездефектный слой, на который и идет непосредственно эпитаксиальное наращивание. Это может привести к ухудшению качества наращиваемого эпитаксиального слоя, 20Возможность стабильного улучшениякачества геттера для эпитаксиальных структур за счет введения предлагаемых признаков свидетельствует о том, что предлагаемое изобретение может обеспе чить большой технический эффект.П р и м е р ы. В соответствии с предложенным способом были изготовлены кремониевые эпитаксиальные структуры с внутренним геттером. С этой целью иэ слит ков кремния, выращенного методом Чохральского, марки КЭС 0,01, изготавливались пластины - подложки диаметром 60 мм с ориентацией рабочих поверхностей (111) с отклонением в 23 в направлении 110 и с 35 финишной химико-механической полировкой рабочих поверхностей суспензией на основе азросила, Все пластины, подготовленные таким образомбыли разделены на 14 партий. Пластины 4 партий подвергались 40 ионному легированию в соответствии с заявляемым способом.П а р т и я 1. В рабочие поверхности пластин-подложек проводилось ионное легирование углерода с дозой Д=100 45 мкКл/см и энергией Е=350 кэВ, а затем ионное легирование кислородом с дозой Д=400 мкКл/см и энергией Е=400 кэВ; при таких энергиях глубины залегания слоев с . максимальными концентрациями углерода 50 и кислорода совпадают.П а р т и я 2, Ионное легирование в рабочие поверхности пластин проводились при слеуующих дозах; углерод - Д=150 мкКл/см, Е=ЗОО кэВ, кислород - Д"350 55 мкКл/см 2, Е=ЗОО кэВ.П а р т и я 3. Углерод Д=200 мкКл/см 2, ЕкэВ, кислород: Д=ЗОО мкКл/см,2 Е=260 кэВ. П а рти я 4. УглеродДмкКл/см 2,ЕкэВ, кислород - ДмкКл,см 2,Е"400 кэВ,На пластинах партий 5-10 дозы и энергии ионного легирования выходили эа пределы заявляемого способа (таблица).На пластинах партий 11-12 делалосьтолько ионное легирование углерода придозах и энергиях, укаэанных в таблице.Пластины партии 13 вообще неподвергались операции ионного легирования,Пластины всех партий поступали наоперацию очистки в перекисно-аммиачномрастворе (ПАР) следующего состава:Н 202.ИН 4 ОН:Н 20=8:1:1, промывки в проточной деионизованной воде и сушки на центрифуге, Далее пластины всех партийпоступали на операцию эпитаксиальногонаращивания, которая проводилась хлоридным методом, при этом пластины в камереустановки располагались таким образом,чтобы на каждом ярусе были пластины изразных партий, Перед эпитаксиальным наращиванием проводилось газовое травление в среде: НС +Н 2 для снятия слоятолщиной, указанной в таблице. Было проведено два процесса, в первом случае удалялся газовым травлением слой 0,08-0,1мкм, во втором 0,14-0,15 мкм, а также ещедва процесса, когда удалялись слои: 0,24мкм и 0,02-0,03 мкм. Процесс эпитаксиального наращивания проводился приТ=11001200 С таким образом, чтобы нарастить пленки толщиной 2,53 мкм при сопротивлении эпислоя р =0,65-0,70 Ом см.Полученные таким образом эпитаксиальные структуры на пластинах всех партийподвергались окислению при режимах, которые соответствуют режимам первой операции приборного цикла: Т 1200 С втечение 1 ч, в атмосфере сухого кислорода;часть пластин из всех партий дополнительно отжигались при этой же температуре втечение 3 ч для и роверки работы геттера приприборных термообработках. Выросшийпри этом окисел с эпитаксиальных структурудалялся химическим путем, Подготовленные таким образом эпиструктуры поступалина исследование качества эпитаксиальныхпленок, Для этих целей, во-первых, на двухпластинах от каждой партии изготавливались сферические шлифы с максимальнойглубиной 5 мкм и осуществлялось травлениеобразцов со шлифами в травителе Сиртля,а затем под оптическим микроскопом изучались на шлифах картины распределения дефектов по глубине.Результаты исследования сведены втаблицу.изготовленных по заявляемому способу, в радных хараквысокочастотных вольт- аустановлено, что только на структурах, среде методомрактеристик с помощью ртутногофобъеме материала подложки на глубине зонда сни ф0,45-0,6 (таблица) от границы эпислой под- носителей бмались про или концент ациил по глу ине эпитаксиальных плеложка имеется геттерирующий слой дефек нок(предварительно в НР удалялся окисел),тов с высокой плотностью, причем послеотжига 1Характер к ивыи и самого роста эпислояотжига ч значения плотностей дефектов процессе окисления иданы в таблице, а после 3 ч отжига плот- на пластинах разных па тий бность ефектов в сли рти ра отаютразется о нд ф ое значительно снижа- ные геттеры: в зпиструктур бтурах ез ионногокачестве геттера выступает, д ако весь слои не исчезает: частично 10 легирования в качесисчезают преципитаты, а появляются дис- сама граница эница эпислои-подложка. Она оттялокационные петли, что свидетельствует о гиваетс пооверхности и из обьема эпитаксилоя ыстродиффунаирующиепролонгированном во временидействия фор- ального слоя быстоин глео спмируемого геттера. В случае, когда забивался примеси, собственные точд у род (способ-прототип), геттерирую поэтому вблизи раздела эпитаксиальныйщий слой уже после первого часа отжига или слой-подложка концентрация собственных. отсутствовал совсем, или плотностьдефектов носителей в пленке резко меняется. В слв нем была очень низкой. чае формирования под поверхностью плак резко меняется. слудеч ектного слоя, онТаким образом, как показали исследова- стины-подложки дефектнияг ттния, при соблюдении режимов формирова оказывает более сильный гее ера,всоответствиисизобретениемв эффект, чем граница раздела эпислой-подны геттерирующийобъеме пластины формируется качественный ложка и изменения он ния концентрации носитегеттерирующий слой. Выход режимов эа лей в пленке практически не происходит, Впределы заявляемого способа в сторону из- случае ионного легирования одного углероменения режимов ионного легирования или 25 да, геттерирующий эффект оказывается неглубины слоя, удаляемого газовым травлени- достаточн ым. Таки бим о разом, какем, приводит или к резкому снижению плот- свидетельствует эксперимент бности е ктнт, при со люд фектов в геттере, или к выходу дении режимов формирования эпитакси-.дефектногослояпрактическинаграницуэпи- альных структур в соответствии сслой-подложка (таблица). 30 изобретением наблюдается значительноеВо-вторых, проводилось селективное улучшение электронно-физических свойствтравление в травителе Сиртля в течение пер- эпитаксиальных пленок; возможно получитьвого окисления разных партий и под оптиче- очень однородные пор пленки по глубине.ским микроскопом подсчитывалась Таким образом, как показали экспериплотность микродефектов пленки (таблица), 35 менты, использование изобретения обеспеКак видно из таблицы, пленки, полученные по чивает улучшение качества эпитаксиальныхзаявляемомуспособу,практическибездефек- структур за счет повышения однородноститны. Наблюдаются только отдельные микро- распределения легирующей примеси в эпидефекты. В тоже время на эпитаксиальных таксиальномслоеиуменьшения в нем плотпленках, изготовленных по способу-прото ности дефектов кристаллической решетки.типу, наблюдается как высокая плотность Технико-экономическая эффективностьмикродефектов, так и наличие дислокаций предлагаемого способа изготовления креми мелких дефектов упаковки, ниевых эпитаксиальных структур по сравнеТаким образом, как показали исследо- нию со способом-прототипом заключается ввания, заявляемый способ обеспечивает 45 возможности повышения процента выходастабильное резкое снижение плотности приборных структур за счет стабильногоструктурных дефектов эпитаксиальных пле- обеспечения улучшения качества эпитаксинок. Выход режимов за пределы заявляемо- альных структур.го способа приводит к значительному Предлагаемый способ может быть реаухудшению структуры пленки (таблицы), 50 лизован на серийных заводах полупроводНа эпитаксиальных пленках всех пар- никовой отрасли,тий после часового отжига в окислительной1797403 Способ ПарЛегируемые злементы Слой, удаляемый газовым травлением,тия углерод кислород Д мкКлlсм Е кэВ Д мкКл/см 2 Е,кэВ мкм400 выходит за пределы заявляемогоспособа 6 7 8 9 10 11 12 способ-прототип Продолжение таблицы Характеристика геттер-слоя Структурное совершенство эпислоя Рартолщина бездефектной толщина слоя плотность дес максималь- фектов в макной плотностью дефектов, мкм симуме, шт/смф приповерхностной зоны,мкм Дислокация, ДУ, дефекты роста-отсутствуют, плотность микродефектов (кластеров, преципитатов) -10 см Плотность микродефектов -10 см 2 ДУсм1797403 14 Продолжение таблицы ПэрХарактеристика геттер-слоя Структурное совершенство эпислоя тия толщина слоя с максимальной плотнотолщина бездефектной0,3 0,4 8 9 0,3 0,4 ширина беэдефектного слоя - мала 0,5 0,4 10 Микродефекты -10 см г 10 поверлн. плохо очищается при газовом травлении Слой преципитатов не сформировался Дислокация и ДУ -10 см микродефектн. -10 в см г0,25 0,5 12 П р и м е ч э н и е, Указанные толщины слоев даны от границы эпислой-подложка Составитель Ю. КондратьевТехред М.Моргентал Корректор О, Густи Редактор Е, ПолионоваЗаказ 54 Тираж Подписное НПО "поиск" Роспатента113035, Москва, Ж, Раушская наб., 45 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 Формула изобретенияСПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕМНИЕВЫХ ЭПИТАКСИАЛЪНЪХ СТРУКТУР С 5 ВНУТРЕННИМ ГЕТТЕРОМ, включающий имплантацию ионов углерода дозой 100 - 200 мкКл/см в рабочую поверхностьгпластины, газовое травление и зпитаксиальное наращивание, отличающийся 10 тем, что, с целью улучшения качества эпитаксиальных структур эа счет повышения однородности распределения легирующей примеси в эпитаксиальном слое и уменьшения в нем плотности дефектов кристаллической решетки, имп-: лантацию ионов углерода проводят с энергией 260 - 350 кэВ, перед газовым травлением дополнительно проводят имплантацию ионов кислорода дозой 300 - 400 мкКл/см с энергией, обеспечивающей совпадение средних проецированных пробегов ионов кислорода и углерода, а газовым травлением удаляют слой толщиной (0,1 - 0,2) Вр, где йр средний проецированный пробег ионов.